KR20110009985A - 탄소나노튜브 기반의 이종접합 구조체 및 이의 제조방법 - Google Patents

탄소나노튜브 기반의 이종접합 구조체 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 기반의 이종접합 구조체 제조방법은, 기저층 상에 탄소나노튜브 이차원 구조체를 형성하는 단계, 및 상기 탄소나노튜브 이차원 구조체 표면 상에 전이금속 또는 반도체성 물질의 일차원 구조체를 형성하는 단계를 포함한다.
탄소나노튜브, 이종접합, 산화아연

Description

탄소나노튜브 기반의 이종접합 구조체 및 이의 제조방법{CARBON NANOTUBE BASED-HETEROSTRUCTURE AND MANUFATURING METHOD THEREOF}
본 발명은 이종접합(異種接合) 구조체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소나노튜브 박막의 표면 상에 이종 물질을 접합하여 구성하는 탄소나노튜브 기반의 이종접합 구조체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
1991년 일본의 이지마(Sumio Iijima) 박사에 의해 발견된 탄소나노튜브는 그들의 독특한 광학적, 물리적, 전기적, 화학적 특성으로 인하여 차세대 나노테크놀로지를 이끌어갈 소재 중 하나로 각광 받고 있다.
탄소나노튜브는 크게 단일벽 탄소나노튜브(single-walled carbon nanotubes, SWNT)와 다중벽 탄소나노튜브(multi-walled carbon nanotubes, MWNT)로 구분할 수 있으며, 준 1차원적인 양자구조로 인하여 특이한 여러 양자역학적 현상이 관측되었다. 이들 탄소나노튜브의 직경은 수 내지 수십 나노미터로 굉장히 작고 종횡비가 크며 속이 비어있는데, 직경과 탄소막의 말린 각도에 의해서 반도체성 특성과 금속성 특성을 보이는 독특한 성질로 인하여 전계효과 트랜지스터, 평판표시소자, 원자력 현미경(Atomic Force Microscopy, AFM)의 탐침소재, 에너지 저장체, 투명전극, 고용량 커패시터, 전자 소자 등으로의 응용성이 뛰어난 나노소재로 사용되어 오고 있다.
이들 중 트랜지스터 소자의 응용을 살펴보면, 1998년 네덜란드의 델프트 대학교의 데커(Dekker) 그룹의 연구원들은 탄소나노튜브를 이용하여 상온에서 작동하는 트랜지스터를 구현하였다(문헌[ Nature 1998, 393, 49 ] 참조). 이 결과에 의하면, 물리적 전기적 성질이 우수한 탄소나노튜브 기반의 전자소자가 기존의 실리콘 기반의 전자소자보다 그 동작 속도가 100배 정도 빠르며, 고집적도가 가능할 뿐만 아니라, 전력의 손실량도 적어 향후 탄소나노튜브를 기반으로 한 전자소자에 있어서의 응용 가능성을 보여준 첫 사례라 할 수 있다.
그 이후, 2008년 현재까지도 탄소나노튜브를 기반으로 한 다양한 나노소자의 응용은 세계의 많은 연구기관에서 수 많은 논문, 특허 등으로 나오고 있는 실정이다.
그러나 아직까지 탄소나노튜브를 이용한 소자를 제작하는 데에 있어서 해결해야 하는 큰 과제가 남아있다. 궁극적으로 탄소나노튜브를 전자소자에 이용하는데 있어서 반도체성 탄소나노튜브를 얻어야 하는데, 현재 합성되는 과정을 보면 반도체성과 금속성 탄소나노튜브가 혼재되어 합성되고 있다. 따라서 혼재된 두 반도체성과 금속성 탄소나노튜브를 선택적으로 분리하는 것이 전자소자의 적용에 있어서 매우 중요한 역할을 담당할 것으로 보인다.
이와 더불어 향후 탄소나노튜브를 전자소자에 적용하기 위해서는 분리공정 기술뿐만 아니라 고품질의 탄소나노튜브를 생산해야 할 것이며, 직경 및 길이의 제 어가 가능해야 하고, 원하는 기판 위에 요구하는 곳에 위치시킬 수 있는 어레이(array) 기술이 확립되어야 할 필요가 있다.
상기한 바와 같은 기술적 배경을 바탕으로, 본 발명은 촉매의 사용 없이 재현성 있고 다양한 분야에서 응용 가능한 정렬된 탄소나노튜브 또는 망상구조의 이차원 탄소나노튜브 표면 위에 수식된 나노점, 나노선 또는 나노막대의 이종접합 구조체 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 기반의 이종접합 구조체 제조방법은, 기저층 상에 탄소나노튜브 이차원 구조체를 형성하는 단계, 및 상기 탄소나노튜브 이차원 구조체 표면 상에 전이금속 또는 반도체성 물질의 일차원 구조체를 형성하는 단계를 포함한다.
상기 탄소나노튜브 이차원 구조체를 형성하는 단계는, 랭뮤어-블로젯법을 이용하여 탄소나노튜브 박막을 형성하는 것일 수 있다.
랭뮤어-블로젯용 탄소나노튜브 분산용액 제조 시, 유기용매에 분산되어 있는 탄소나노튜브 용액을 원심분리기를 이용하여 처리하고, 상등액을 여과한 다음, 하층액을 여과하여 비정질 탄소 덩어리를 제거할 수 있다.
상기 유기용매는 메틸포름아마이드 (Dimethylformamide), 테트라하이드로퓨란 (Tetrahydrofuran), N-메틸-2-피롤리돈 (N-Methyl-2-pyrrolidone) , 아세톤 (Aceton)을 포함하여 이루어지는 군에서 선택된 물질인 것을 사용할 수 있다.
상기 탄소나노튜브 이차원 구조체를 형성하는 단계는, 유기용매에 분산된 탄소나노튜브 용액을 양극산화 알루미늄 기판에 여과하여 적층시키고, 상기 양극산화 알루미늄 기판에 여과되어 망상 구조체의 형태로 올라간 탄소나노튜브를 열처리하고, 상기 양극산화 알루미늄 기판을 제거하는 과정을 포함하는 것일 수 있다.
상기 전이금속 또는 반도체성 물질의 일차원 구조체를 형성하는 단계는, 화학기상증착법을 이용하여 나노점, 나노선, 또는 나노막대의 형태로 성장시키는 것일 수 있다.
상기 일차원 구조체는 산화아연(ZnO), 갈륨/비소(GaAs), 갈륨/질소(GaN), 인듐/인(InP), 실리콘(Si), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 망간(Mn), 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd)를 포함하여 이루어진 군에서 선택된 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 기반의 이종접합 구조체는, 기저층과, 상기 기저층 상에 형성된 탄소나노튜브 이차원 구조체, 및 상기 탄소나노튜브 이차원(二次元) 구조체의 표면 상에 성장된 전이금속 또는 반도체성 물질의 일차원(一次元) 구조체를 포함한다.
상기 탄소나노튜브 이차원 구조체는 탄소나노튜브가 일정한 방향으로 정렬되어 있는 탄소나노튜브 단일막으로 이루어진 것이거나, 탄소나노튜브 망상 구조체로 이루어진 것일 수 있다.
상기 일차원 구조체는 나노점(nanodot), 나노선(nanowire) 또는 나노막 대(nanorod)를 포함하여 이루어진 군에서 선택된 구조체로 이루어진 것이다.
상기 일차원 구조체는 산화아연(ZnO), 갈륨/비소(GaAs), 갈륨/질소(GaN), 인듐/인(InP), 실리콘(Si), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 망간(Mn), 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd)를 포함하여 이루어진 군에서 선택된 물질로 이루어진 것이다.
상기한 바와 같은 탄소나노튜브 기반의 이종접합 구조체 제조방법에 의하면, 촉매 없이 재현성 있고 다양한 분야에서 이용 가능한 정렬된 탄소나노튜브와 산화아연을 포함한 다양한 나노막대의 이종접합 구조체를 얻을 수 있다.
또한, 상기와 같은 탄소나노튜브 기반의 기능성 나노소재 상위의 이종접합 구조체 제작방법에 의하면, 촉매의 사용 없이 이러한 구조체의 구현이 가능하므로 촉매 사용에 따라 발생하는 잔존 영향성을 배제할 수 있다.
아울러, 정렬된 탄소나노튜브의 기저층을 전극으로 이용할 수 있으므로, 균일하면서도 우수한 전자운송(electron transport)을 가능하게 하며, 다양한 기능성 나노소재를 정렬된 탄소나노튜브 이차원 구조체 위에 배열함에 따라 투명성을 확보할 수 있다.
이러한 이종접합 구조체는 다양한 전자기소자, 전자소자, 광소자, 센서, 자성소자, 압전소자 등에 응용이 가능하다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속 하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 기반의 이종접합 구조체 제조방법을 도시한 모식도이다.
본 실시예에 따른 이종접합 구조체를 제조하기 위하여, 먼저, 기저층(substrate)(10) 상에 탄소나노튜브의 이차원 구조체(15)를 형성한다. 탄소나노튜브의 이차원 구조체(15)의 종류는 정렬된 단일막의 구조체와 망상 구조체로 구분될 수 있으며, 본 실시예의 이종접합 구조체를 형성하기 위해서는 단일막 구조체 또는 망상 구조체를 선택적으로 적용할 수 있다.
먼저, 탄소나노튜브의 단일막 제조방법은 화학적으로 표면처리 된 탄소나노튜브를 랭뮤어-블로젯(Langmuir-Blodgett, LB)법을 이용하여 기판 상에 균일하거나 패터닝된 탄소나노튜브 박막을 형성하는 것으로, 대한민국 공개특허 제10-2006-0092737호에 나타나 있다. 상기 공개특허에 나타난 방법에 의해 제조된 탄소나노튜브 박막은 전도성을 가짐과 동시에 투명하고, 그 두께가 수십 내지 수백 나노미터로 매우 얇고 균일하며, 고밀도로 한 방향으로 배향되어 있어, 전자소자, 센서, 디스플레이 등의 다양한 산업에 적용할 수 있다.
도 2는 탄소나노튜브가 랭뮤어-블로젯법에 의해 정렬되는 상태를 도시한 모식도이다.
도 2를 참조하면, 랭뮤어-블로젯법으로 탄소나노튜브 단일막을 형성하는 경 우에, 탄소나노튜브(35)를 휘발성 유기용매에 분산시켜 LB트로프(32)에 담긴 수면 위에 도포하고, 상기 용매가 기화된 후 배리어(30)를 밀어서 수면의 면적을 점진적으로 감소시켜 상기 탄소나노튜브가 계면상에서 일정한 방향으로 정렬된 탄소나노튜브 랭뮤어막(Langmuir film)을 형성시킬 수 있다.
더 나아가, 이러한 방법에 비정질 탄소 덩어리들의 불순물을 줄이는 공정을 추가함으로써 더욱 정렬이 잘 된 이차원의 탄소나노튜브 박막을 형성할 수 있다.
즉, 원심분리 공정을 통해 제조된 랭뮤어-블로젯용 탄소나노튜브 분산용액의 경우 다량의 비정질 탄소 덩어리를 포함할 수 있는데, 랭뮤어-블로젯용 탄소나노튜브 분산용액 제조 시, 유기용매에 분산되어 있는 탄소나노튜브 용액을 원심분리기를 이용하여 소정의 회전속도(rpm)로 소정 시간 동안 처리해 준 후 상등액을 먼저 여과하고 하층액을 여과하는 방법을 통하여 비정질 탄소 덩어리를 효율적으로 제거할 수 있다.
일례로, 탄소나노튜브를 분산할 수 있는 유미용매로 디메틸포름아마이드 (Dimethylformamide), 테트라하이드로퓨란 (Tetrahydrofuran), N-메틸-2-피롤리돈 (N-Methyl-2-pyrrolidone) , 아세톤 (Aceton) 등의 용매가 사용될 수 있으며, 분산되어 있는 탄소나노튜브 용액을 원심분리기를 이용하여 6,000 ~ 10,000 rpm에서 30분 이상 처리해 준 후에 상등액을 먼저 여과하고 하층액을 이후에 여과하는 방법을 통하여 비정질 탄소 덩어리를 효율적으로 제거할 수 있다. 원심분리기 회전속도가 10,000 rpm을 초과하는 경우에는 비정질 탄소 덩어리가 하층액에 가라 앉아 분리의 효과를 얻을 수 없고, 6,000 rpm 미만인 경우에는 탄소나노튜브가 하층액에 가라앉 지 않아 또한 분리의 효과를 얻을 수 없다. 그리고 처리 시간이 30분 미만인 경우에도 탄소나노튜브와 비정질 탄소 덩어리가 효과적으로 분리되지 않는다.
보다 상세히 설명하면, 상등액에는 상대적으로 탄소나노튜브보다 비중이 작은 나노 크기의 비정질 탄소 덩어리가 떠있게 되는데, 이후 다시 여과 공정을 거치면서 상등액을 먼저 여과하여 나노 크기의 비정질 탄소 덩어리가 먼저 빠져나간 후 최종적으로 하층액을 여과함으로써 탄소나노튜브가 비정질 탄소덩어리를 포함하지 않게끔 유도하는 공정을 포함하는 것이다. 이 때문에 랭뮤어-블로젯용 분산용액에 많은 양으로 존재하고 있던 비정질 탄소 덩어리들의 불순물이 감소하게 되는 것이다.
이러한 공정을 통하여 제조된 랭뮤어-블로젯용 탄소나노튜브 분산용액을 사용하여 제조된 탄소나노튜브의 박막은 상기 공개특허 제10-2006-0092737호에 개시되어 있는 탄소나노튜브의 랭뮤어-블로젯 박막보다 비정질 탄소의 덩어리의 양이 훨씬 줄어들게 되며, 그로 인하여 더욱 정렬이 잘 된 이차원의 탄소나노튜브 박막을 얻을 수 있다.
한편, 탄소나노튜브의 망상 구조체 제조방법에 따르면, 유기용매에 분산된 탄소나노튜브 용액을 양극산화 알루미늄 기판에 여과하는 방법을 통해 적층시킨다. 이후 양극산화 알루미늄 기판에 여과되어 망상 구조체의 형태로 올라간 탄소나노튜브를 열처리 한다.
일례로, 탄소나노튜브를 분산할 수 있는 유기용매로는 디메틸포름아마이드 (Dimethylformamide), 테트라하이드로퓨란 (Tetrahydrofuran), N-메틸-2-피롤리돈 (N-Methyl-2-pyrrolidone) , 아세톤 (Aceton) 등을 사용할 수 있고, 상기 양극산화 알루미늄 기판에 여과되어 망상구조체의 형태로 올라간 탄소나노튜브는 110 ~ 200℃ 오븐에서 2 ~ 3시간 동안 열처리 할 수 있다.
상기 처리방법은 탄소나노튜브 간의 물리적 접합 성능을 향상시키며, 이는 전기적인 특성의 향상에 영향을 미친다. 상기 온도와 시간의 설정된 범위를 초과하는 경우에는 탄소나노튜브에 결함이 발생하거나 심한 경우 파괴될 수 있다.
그 후, 원하는 기판에 탄소나노튜브를 전이하기 위한 단계로 수산화나트륨 수용액에 양극산화 알루미늄 기판이 용해되는 특성을 이용하여, 수산화나트륨 수용액 바닥에 원하는 기판을 위치시키고 그 위에 탄소나노튜브가 적층된 양극산화 알루미늄 기판을 올린다. 시간이 지나면 양극산화 알루미늄은 수산화나트륨의 수용액에 의하여 용해되어 없어지고 종국에는 적층된 탄소나노튜브 망상구조체 박막만 남게 된다.
마지막 과정으로 수산화나트륨 수용액에 증류수를 서서히 가하여 pH 7을 유지하면서 최종적으로 수용액을 제거함으로써 망상구조체의 탄소나노튜브 박막이 원하는 기판에 전이되도록 유도한다.
이상 설명한 바와 같이, 정렬된 단일막 구조체 또는 망상 구조체의 형태로 탄소나노튜브 이차원 구조체(15)를 형성한 다음, 이종접합 구조체의 형태로 제조하기 위하여 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)을 이용하여 나노막대(nanorod)(20)를 성장시킨다. 이러한 탄소나노튜브 이차원 구조체(15)에 성장시킬 수 있는 나노막대(20)는 화학기상증착법이 가능한 전이금속 또는 반도체성 물질 로 형성될 수 있으며, 일례로 산화아연 등을 포함한다. 이러한 산화아연은 초기에는 나노막대(20)로 성장하기 전에 나노점(nanodot)(17)의 형태로 상기 탄소나노튜브 이차원 구조체(15)에 증착되며, 공정시간이 지속됨에 따라 일측 방향, 즉 기저층(10)면에 수직한 방향으로 증식되어 나노선(nanowire) 또는 나노막대(20)의 형태를 갖게 된다.
이후 형성된 구조체를 필요에 따라 열처리 할 수 있다. 이러한 후열처리 (post-thermal treatment)(일례로, 300℃ 에서 30분간)의 과정은 탄소나노튜브와 그 위에 위치하는 나노소재 (나노막대, 나노점, 나노선 등)와의 물리적인 접합 성능을 우수하게 하는 동시에, 나노선 성장 등의 과정에서 잔존할 수 있는 물질을 제거하는 것에도 효과적이다.
산화아연 (ZnO)은 우수한 물리적, 전기적, 화학적 특성으로 인하여, 압전소자, 투명전극, 가스센서, 발광소자, 고 전력 소자, 자외선 발생기, 디스플레이, 전자소자 등을 제작하는 데에 있어서 매우 적절한 특성을 가지고 있는 재료이다. 이러한 산화아연의 기본성질을 살펴보면, 에너지 갭 (Energy gap)이 3.4eV로 실리콘(Si)에 비해 3배가 높은 부르자이트(wurzite) 결정구조를 가지는 육각 성형 결정 (hexagonal crystal) 구조를 가지는 물질이다. 전자 홀 모빌리티(electron hall mobility)는 200cm2/VS 정도이며, 홀 홀 모빌리티(hole hall mobility)가 5 ~ 50cm2/VS인 산화아연은 주로 n형 도핑인 경우가 주를 이룬다. 이러한 산화아연의 특성을 이용하여 바이오센서, 가스센서 등의 전자소자에 적용하는데 있어서, 낮은 저 항의 접촉 저항을 개발하는 것이 중요한 기술로 인식되는 것이 실정이다.
상기에서 일차원 구조체를 형성할 수 있는 물질의 구체적인 예로서, 산화아연 외에, 갈륨/비소(GaAs), 갈륨/질소(GaN), 인듐/인(InP), 실리콘(Si), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 망간(Mn), 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd)를 포함하여 이루어진 군에서 선택하여 적용할 수 있다.
이와 같은 나노소재의 합성은 기상(vapor) 및 액상 (liquid)에서 공정이 가능하므로, 상기와 같은 이종접합 구조체의 제조방법으로 다양한 방법을 이용할 수 있다. 특히, 나노소재 합성 시 화학기상증착법을 이용할 경우, 나노막대와 탄소나노튜브 기저층과의 계면이 뚜렷한 이종접합 구조체를 형성하는데 유리하다.
이상 설명한 바와 같은 방법에 의해 제조된 탄소나노튜브 기반의 이종접합 구조체는 다음과 같은 분야에 응용할 수 있다.
즉, 탄소나노튜브 위의 산화아연 구조체(나노막대)의 길이와 직경의 조절을 통해 외인성(extrinsic) 운송자 조절을 이용한 광전자 소자로 응용할 수 있다. 또한, 탄소나노튜브 구조체 위에 촉매 없이 선택적으로 에피택시얼 성장(selective epitaxial growth)한 산화아연 구조체를 전자소자에 적용할 수 있다. 나아가 산화아연과 탄소나노튜브의 이종접합 구조체에서 발현되는 반도체적 전기적 특성을 활용하는 것도 가능하다.
도 3의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법으로 실리콘 기판에 이차원의 탄소나노튜브 구조체를 형성한 후 산화아연(ZnO)을 나노선으로 성장시켜 만든 전극소자의 모식도이고, (b)는 (a)의 전극소자의 각 부분 두께를 예시한 도면이며, (c)는 이러한 전극소자의 전기적 특성을 나타내는 그래프이다.
이와 같이 정렬된 탄소나노튜브 기저층(SWNTs)은 후위전극으로 사용될 수 있으며, 카본나노튜브가 잘 정렬되어 있기 때문에 전자운송의 균일성과 우수성이 확보되면서 투명하게 할 수 있는 장점이 있다.
도 3의 (c)의 탄소나노튜브 기저층과 산화아연(ZnO) 나노선의 전기특성 그래프를 참조하면, 이종 구조체의 물질 (탄소나노튜브 기저층-산화아연 나노선) 간에 저저항 오믹 접합(ohmic contact) 특성을 나타내는 것을 볼 수 있다.
[실험예1]
탄소나노튜브 단일막 구조체에 산화아연 나노막대를 성장시킨 경우
먼저, 랭뮤어-블로젯법에 의해 정렬된 탄소나노튜브 이차원 구조체를 제작하였다. 즉, 탄소나노튜브를 휘발성 유기용매인 클로로프롬에 분산시켜 LB 트로프에 도포하고 용매를 기화시킨 후 도포면을 점진적으로 감소시켜 물과 공기의 계면에서 일정한 방향으로 정렬된 탄소나노튜브의 단층막을 형성시킨 다음, 형성된 탄소나노튜브의 단층막을 기판에 전이시켰다.
랭뮤어-블로젯용 탄소나노튜브 분산용액 제조 시, 디메틸포름아마이드 (Dimethylformamide)에 분산되어 있는 탄소나노튜브 용액을 원심분리기를 이용하여 6,000 rpm에서 30분간 처리해 준 후에 상등액을 먼저 여과하고 하층액을 이후에 여과하는 방법을 통하여 비정질 탄소 덩어리를 제거하였다.
도 4는 랭뮤어-블로젯법에 의해 정렬된 탄소나노튜브 이차원 구조체의 주사전자현미경 사진이다.
다음으로, 상기 탄소나노튜브 단일막 이차원 구조체 표면에 화학기상증착법을 이용하여 산화아연으로 나노막대를 성장시켰다. 즉, 산화아연(ZnO)과 흑연 분말의 혼합물을 반응기에 넣고 10cm 떨어진 곳에 기저층을 위치시키고, 내부압력 15 Torr, 질소기체 134 SCCM, 산소기체 26 SCCM, 온도 500°C 로 유지한 후, 화학기상증착을 수행하였다.
도 5는 랭뮤어-블로젯법에 의해 정렬된 탄소나노튜브의 이차원 구조체 표면에 성장한 산화아연의 주사전자현미경 사진이다.
성장한 산화아연 나노막대의 직경이 대략 5.38μm로 측정되는 것을 볼 수 있다.
[실험예2]
탄소나노튜브 망상 구조체에 산화아연 나노막대를 성장시킨 경우
먼저, 10ml의 디메틸포름아마이드(Dimethylformamide)에 분산된 탄소나노튜브 용액을 알루미늄 기판에 여과하는 방법을 통해 적층시켰다. 상기 양극산화 알루미늄 기판에 여과되어 망상구조체의 형태로 올라간 탄소나노튜브를 110℃ 오븐에서 3시간 열처리 하였다.
다음으로, 수산화나트륨 수용액 바닥에 기판을 위치시키고 그 위에 탄소나노튜브가 적층된 양극산화 알루미늄 기판을 올린 후, 시간을 경과시켜 양극산화 알루미늄을 용해시켜 없애고 적층된 탄소나노튜브 망상구조체 박막만 남겼다.
그리고, 수산화나트륨 수용액에 증류수를 서서히 가하여 pH 7을 유지하면서 최종적으로 수용액을 제거함으로써 망상구조체의 탄소나노튜브 박막을 상기 기판에 전이시켰다
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 기반의 이종접합 구조체 제조방법에서 망상구조의 탄소나노튜브 이차원 구조체의 원자력현미경 사진이다.
다음으로, 상기 망상 구조의 탄소나노튜브 이차원 구조체 표면에 화학기상증착법을 이용하여 산화아연으로 나노막대를 성장시켰다. 즉, 산화아연(ZnO)과 흑연 분말의 혼합물을 반응기에 넣고 10cm 떨어진 곳에 기판을 위치시키고, 내부압력 15 Torr, 질소기체 134 SCCM, 산소기체 26 SCCM, 온도 500°C 로 유지한 후, 화학기상증착을 수행하였다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 기반의 이종접합 구조체 제조방법에서 망상구조의 탄소나노튜브 이차원 구조체 표면에 성장한 산화아연의 주사전자현미경 사진이다. 즉, 도 7의 좌측상단 이미지(a)는 탄소나노튜브 기저층의 이미지이며, 나머지 이미지(b, c, d)는 산화아연(ZnO)을 CVD로 성장시킬 때 시간에 따른 산화아연의 형태변화 추이를 나타낸 것이다.
도 7의 우측상단 이미지(b)는 점 형태로 탄소나노튜브 표면에 성장한 것이고 (CVD 처리시간: 2분), 좌측하단 이미지(c)는 탄소나노튜브의 거의 모든 표면을 산화아연이 덮은 후 점차 산화아연이 나노선 형태로 자란 것이며 (CVD 처리시간: 4분), 우측하단 이미지(d)는 전면적으로 탄소나노튜브 표면에 나노선 형태로 산화아연이 성장한 이미지이다 (CVD 처리시간: 15분).
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 기반의 이종접합 구조체 제조방법에서 화학기상증착법을 이용한 산화아연의 성장시간에 따른 형태 변화를 나타낸 주사전자현미경 사진이다.
즉, 도 8의 이미지 (a)는 적정시간(대략 15분)에서의 산화아연 나노선의 사진이고, 이미지 (b)는 그 확대 사진이다. 이미지 (c)는 성장시간을 연장하여 산화아연 나노선의 지름이 증가한 것을 나타낸 사진이고, 이미지 (d)는 그 확대 사진이다. 이미지 (e)는 성장시간을 더욱 연장하여 산화아연 구조가 변경된 것을 나타낸 사진이고, 이미지 (f)는 그 확대사진이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 기반의 이종접합 구조체 제조방법을 도시한 모식도이다.
도 2는 탄소나노튜브가 랭뮤어-블로젯법에 의해 정렬되는 상태를 도시한 모식도이다.
도 3의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법으로 실리콘 기판에 이차원의 탄소나노튜브 구조체를 형성한 후 산화아연을 나노막대로 성장시켜 만든 전극소자의 모식도이고, (b)는 (a)의 전극소자의 각 부분 두께를 예시한 도면이며, (c)는 이러한 전극소자의 전기적 특성을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 기반의 이종접합 구조체 제조방법에서 랭뮤어-블로젯법에 의해 정렬된 탄소나노튜브 이차원 구조체의 주사전자현미경 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 기반의 이종접합 구조체 제조방법에서 랭뮤어-블로젯법에 의해 정렬된 탄소나노튜브의 이차원 구조체 표면에 성장한 산화아연의 주사전자현미경 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 기반의 이종접합 구조체 제조방법에서 망상구조의 탄소나노튜브 이차원 구조체의 원자력현미경 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 기반의 이종접합 구조체 제조방법에서 망상구조의 탄소나노튜브 이차원 구조체 표면에 성장한 산화아연의 주사전자현미경 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 기반의 이종접합 구조체 제조방법에서 화학기상증착법을 이용한 산화아연의 성장시간에 따른 형태 변화를 나타낸 주사전자현미경 사진이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 기저층 15: 탄소나노튜브 이차원 구조체
17: 나노점 20: 나노막대
30: 배리어(barrier) 32: LB 트로프
35: 탄소나노튜브

Claims (12)

  1. 기저층 상에 탄소나노튜브 이차원 구조체를 형성하는 단계, 및
    상기 탄소나노튜브 이차원 구조체 표면 상에 전이금속 또는 반도체성 물질의 일차원 구조체를 형성하는 단계를
    포함하는 탄소나노튜브 기반의 이종접합 구조체 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 이차원 구조체를 형성하는 단계는, 랭뮤어-블로젯법을 이용하여 탄소나노튜브 박막을 형성하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 기반의 이종접합 구조체 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    랭뮤어-블로젯용 탄소나노튜브 분산용액 제조 시, 유기용매에 분산되어 있는 탄소나노튜브 용액을 원심분리기를 이용하여 처리하고,
    상등액을 여과한 다음, 하층액을 여과하여 비정질 탄소 덩어리를 제거하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 기반의 이종접합 구조체 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 유기용매는 메틸포름아마이드 (Dimethylformamide), 테트라하이드로퓨 란 (Tetrahydrofuran), N-메틸-2-피롤리돈 (N-Methyl-2-pyrrolidone) , 아세톤 (Aceton)을 포함하여 이루어지는 군에서 선택된 물질인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 기반의 이종접합 구조체 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 이차원 구조체를 형성하는 단계는,
    유기용매에 분산된 탄소나노튜브 용액을 양극산화 알루미늄 기판에 여과하여 적층시키고,
    상기 양극산화 알루미늄 기판에 여과되어 망상 구조체의 형태로 올라간 탄소나노튜브를 열처리하고,
    상기 양극산화 알루미늄 기판을 제거하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 기반의 이종접합 구조체 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전이금속 또는 반도체성 물질의 일차원 구조체를 형성하는 단계는, 화학기상증착법을 이용하여 나노점, 나노선, 또는 나노막대의 형태로 성장시키는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 기반의 이종접합 구조체 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 일차원 구조체는 산화아연(ZnO), 갈륨/비소(GaAs), 갈륨/질소(GaN), 인 듐/인(InP), 실리콘(Si), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 망간(Mn), 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd)를 포함하여 이루어진 군에서 선택된 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 기반의 이종접합 구조체 제조방법.
  8. 기저층;
    상기 기저층 상에 형성된 탄소나노튜브 이차원 구조체; 및
    상기 탄소나노튜브 이차원(二次元) 구조체의 표면 상에 성장된 전이금속 또는 반도체성 물질의 일차원(一次元) 구조체
    를 포함하는 탄소나노튜브 기반의 이종접합 구조체.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 이차원 구조체는 탄소나노튜브가 일정한 방향으로 정렬되어 있는 탄소나노튜브 단일막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 기반의 이종접합 구조체.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 이차원 구조체는 탄소나노튜브 망상 구조체로 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 기반의 이종접합 구조체.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 일차원 구조체는 나노점(nanodot), 나노선(nanowire) 또는 나노막대(nanorod)를 포함하여 이루어진 군에서 선택된 구조체로 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 기반의 이종접합 구조체.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 일차원 구조체는 산화아연(ZnO), 갈륨/비소(GaAs), 갈륨/질소(GaN), 인듐/인(InP), 실리콘(Si), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 망간(Mn), 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd)를 포함하여 이루어진 군에서 선택된 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 기반의 이종접합 구조체.
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